Лазерные технологии в машиностроении

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые  лазеры как периодического, так и  непрерывного действия.

Благодаря высокой  концентрации энергии лазерного  излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры пятна нагрева, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной  зоны. Эти особенности теплового  воздействия предопределяют минимальные  деформации сварных конструкций, специфику  физико-химических и металлургических процессов в металле шва, высокую  технологическую и конструкционную  прочность сварных соединений. Лазерная сварка осуществляется в широком  диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Разнообразие методов и приемов лазерной сварки затрудняет разработку конкретного технологического процесса.

Процесс сварки лазерным излучением весьма сложен и  в настоящее время нет теоретической  расчетной модели, описывающей его  во всей полноте. Как правило, расчеты  касаются какой-либо одной из физических характеристик процесса воздействия  лазерного излучения на обрабатываемый материал.

Точечная  сварка получила распространение с  первых дней появления импульсных твердотельных  лазеров для выполнения неразъемных  соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые  материалы (при толщине 0,5...2,0 мм), проволока  диаметром от 10 до 500 мкм, проволока  к подложке, тонкие листы к массивным  элементам (рис. 2.12).

Размеры сварочной  ванны, определяющие прочность сварного соединения, зависят прежде всего  от длительности лазерного импульса и его энергии. Кроме того, размеры  сварочной ванны зависят от коэффициента теплопроводности материала (для более  теплопроводной меди размер сварочной  ванны меньше, чем у сталей)

При точечной сварке импульсным излучением в зависимости  от вида свариваемых материалов используется диапазон плотности мощности излучения q = 1О5...1О6 Вт/см2 и диапазон длительностей  импульсов tauи = 2...10 мс. При этом диаметр  сварных точек составляет D = 0,1..1,2 мм, а глубина проплавления h = 0,0З...1,3 мм. Производительность точечной сварки определяется частотой генерации импульсов f, скоростью перемещения детали (луча), в хорошо налаженном процессе достигается скорость до 200 сварных  точек в секунду.

Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как  с помощью импульсного излучения  с высокой частотой генерации  импульсов, так и с помощью  непрерывного излучения. Последнее  позволяет сваривать толстостенные  детали. Некоторые типы соединений, выполняемых шовной лазерной сваркой, показаны на рис. 2.14.

Основными параметрами  процесса шовной импульсной и непрерывной  сварки, определяющими качество сварного соединения, считаются: энергия импульса Е, длительность воздействия лазерного  излучения на обрабатываемый материал tauи, диаметр сфокусированного излучения d, частота следования импульсов (для  ИПР) f и положение фокальной плоскости  лазерного луча относительно поверхности  свариваемых деталей F. Все параметры  обычно определяются экспериментально, в зависимости от требований технического процесса. Приблизительно, tи =10-4...10-2 d = 0.05... 1 мм, средняя скорость сварки - до 5 мм/с, f - до 20 Гц

Качество  металла сварных соединений, выполненных  непрерывным лазерным излучением, по сравнению с традиционными видами сварки очень высокое. Как правило, в этом случае механические свойства металла шва превосходят свойства основного металла в исходном состоянии. Повышение механических свойств связано с получением мелкозернистой структуры переплавленного  металла и металлургической очисткой и дегазацией расплава сварочной  ванны при лазерном воздействии.

Лазерная  сварка с глубоким проплавлением.

Принципиально отличается от сварки с неглубоким проплавлением, тем, что при образовании  сварного соединения образуется газовый  канал, по которому поднимается испаренный металл. Зона провара имеет вытянутую  форму, шов не широкий, глубокий.

Для защиты шва  применяются газы аргон и гелий, помимо защиты они обеспечивают более  эффективное проплавление, меняя  параметры образующейся плазмы, ускоряют вывод газов, испаренного металла. Можно добиться значительного увеличения глубины проплавления, но качество шва, при высоком расходе газа, ухудшается, появляются поры.

Повышения эффективности  сварки можно добиться и применением  дополнительного источника нагрева. В качестве такого источника может  быть использована, например, электрическая  дуга, подведенная с любой стороны  шва. Увеличивается глубина проплавления, скорость резки. При подведении дуги, сопоставимой по мощности с лазером  скорость проплавления увеличивается  в четыре раза.

Достоинства:

1) В отличие  от сварки электронным лучом,  не требует вакуумной камеры, отсутствует рентгеновское излучение,  на луч не влияют магнитные  поля, возможна сварка магнитных  материалов, так же, сварка лазером  дешевле, чем сварка электронным  лучом.

2) Пятно нагрева  очень мало, при большой глубине  проплавления, как следствие малы  деформации свариваемых деталей,  высокая точность, высокое качество  сварного шва.

3) Процесс  бесконтактен - возможна сварка в  труднодоступных местах, проведение  сварки через прозрачные материалы,  в жидких прозрачных средах.

4) Гибкая, широкая  настройка процесса, без необходимости  смены оснастки, легкое перемещение  луча по поверхности детали  по любой траектории.

3. Поверхностная лазерная обработка

На режимах, не вызывающих разрушения материала, реализуются  различные процессы лазерной поверхностной  обработки. В основе этих процессов  лежат необычные структурные  и фазовые изменения в материале, возникающие вследствие сверхвысоких скоростей его нагрева и последующего охлаждения в условиях лазерного  облучения. Важную роль при этом играют возможность насыщения поверхностного слоя элементами окружающей среды, рост плотности дислокаций в зоне облучения  и другие эффекты.

В зависимости  от степени развития указанных явлений  в материале различают несколько  видов поверхностной лазерной обработки, возможность реализации которых  определяется основном уровнем плотности  мощности излучения.

Виды поверхностной  лазерной обработки:

• упрочнение без фазового перехода; 
• лазерный отжиг (отпуск); 
• упрочнение с фазовым переходом; 
• лазерное легирование; 
• лазерная наплавка (напыление); 
• амортизация поверхности; 
• шоковое упрочнение.

Упрочнение  без фазового перехода предполагает структурные изменения в материале  при уровне плотности мощности излучения, не приводящем к расплавлению облученной зоны. При этом виде обработки сохраняется  исходная шероховатость обрабатывающей поверхности. Быстрый локальный  нагрев поверхности и последующее  охлаждение за счет теплоотвода в  массив материала приводят к образованию  в поверхностном слое стали специфической  высоко-дисперсной, слаботравящейся, дезориентированной в пространстве структуры, имеющей  микротвердость, в 2—4 раза превышающую  микротвердость основы (матрицы). При  малых плотностях мощности, скоростях  нагрева и охлаждения, не превышающих  критических значений, может быть реализован режим отжига (отпуска) ранее  закаленных материалов. Необходимость  такой операции возникает, например, при изготовлении листовых пружин, отбортовке краев обоймы подшипника и т. п. Упрочнение с фазовым переходом  предполагает плавление материала  в облученной зоне. Этот вид упрочнения требует более высокой плотности  мощности излучения, что позволяет  добиться значительных глубин упрочненного слоя. Поверхность этого слоя имеет характерное для закалки из жидкого состоянии дендритное строение. Затем идет ЗТВ, а между ней и материалом основы расположена переходная зона. При данном виде поверхностной обработки, естественно, нарушается исходная шероховатость, что требует введения в технологический процесс изготовления изделия дополнительной финишной операции (шлифования).

При реализации рассмотренных видов обработки  не требуется специальной среды, процесс проводится на воздухе. При  этом возможна частичная диффузия составляющих воздуха в облученную зону.

При следующем  виде поверхностной обработки —  лазерном легировании для насыщения  поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твердая). В результате на обрабатываемой поверхности образуется новый сплав, отличный по составу  и структуре от матричного материала.

Лазерная  наплавка (напыление) позволяет нанести  па поверхность обрабатываемого  материала слой другого материала, улучшающий эксплуатационные характеристики основного.

Новая разновидность  лазерного упрочнения — аморфизация  поверхности сплава в условиях скоростного  облучения (очень коротким импульсом  или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые  при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование  металлических стекол (метгласса) или  аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая  твердость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной аморфизации можно  осуществить при обработке сплавов  специальных составов (в том числе  и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых специальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным  материалом склонны к аморфизации.

Шоковое упрочнение имеет место при воздействии  на материал мощного импульса излучения  наносскундной длительности. Предварительно на материал наносится тонкий слой легкоплавкого металла. Воздействие  мощного импульса вызывает взрывообразное испарение легкоплавкого металла, что приводит к возникновению  импульса отдачи, в свою очередь  генерирующего мощную ударную волну  в материале. В результате происходит пластическое деформирование материала, а при нагреве поверхностного слоя-— и соответствующие изменения в структуре. Первые четыре вида поверхностной лазерной обработки к настоящему времени получили наибольшее распространение. Для практической реализации аморфизации и шокового упрочнения требуются дополнительные исследования. Все эти виды обработки можно осуществить с помощью как импульсного, так и непрерывного излучения, причем упрочнение без фазового перехода более пригодно для прецизионной обработки поверхностей сравнительно небольших размеров, производительность процесса ограничивается сравнительно невысокой частотой следования импульсов выпускаемого оборудования. Непрерывное излучение позволяет производить обработку с высокой производительностью поверхностей больших размеров.

Заключение

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в  самых различных областях-- обработке  материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических  исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях  применение лазерного луча позволяет  получать уникальные результаты. Можно  не сомневаться, что в будущем  луч лазера подарит нам новые  возможности, представляющиеся сегодня  фантастическими. Мы уже начали привыкать  к мысли, что “лазер все может”. Подчас это мешает трезво оценить  реальные возможности лазерной техники  на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяются некоторым охлаждением  к лазерам. Все это, однако, никак  не может замаскировать основной факт — с изобретением лазера человек  получил в свое распоряжение качественно  новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный “инструмент” для повседневной производственной и научной деятельности. С годами этот “инструмент” будет все более  совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и  область применения лазеров.

Нарастающие темпы исследований в области  лазерной техники открывают возможности  создания новых типов лазеров  со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области  их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся  мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. – из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеров позволяет поднять на новый уровень выполнение “тонких” операций доводки, размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболее перспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсов излучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.